JP2005516141A - Gas turbine configured to operate at a high exhaust gas recirculation rate and its operation method - Google Patents

Gas turbine configured to operate at a high exhaust gas recirculation rate and its operation method Download PDF

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Abstract

【課題】 高希薄モードで動作するように構成したガスタービンに関する。
【解決手段】 このガスタービンは、酸化剤(5)を圧縮するように構成したコンプレッサー(3)と、この圧縮した酸化剤(7)を受け入れて、燃焼排気(9)を排出する手段を備えるように構成した燃焼室(3)と、タービン(4)と、この燃焼室(3)から出る燃焼排気(9)を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサー(2)から出て来る圧縮された酸化剤(7)と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段(12,13)とを有する。
PROBLEM TO BE SOLVED: To relate to a gas turbine configured to operate in a high lean mode.
The gas turbine includes a compressor (3) configured to compress an oxidant (5) and means for receiving the compressed oxidant (7) and discharging combustion exhaust (9). The combustion chamber (3) configured as described above, the turbine (4), and the combustion exhaust (9) exiting from the combustion chamber (3) are recirculated and the combustion exhaust exits from the compressor (2). Combustion exhaust gas recirculation means (12, 13) configured to realize a high lean combustion mode at a combustion exhaust gas recirculation rate of 100% to 200% by mixing with the compressed oxidant (7). Have.

Description

この発明は、ガスタービンとガスタービンの動作方法に関する。   The present invention relates to a gas turbine and a method for operating the gas turbine.

ガスタービンは、化石燃料の燃焼をベースに動作する。今日では、化石燃料の燃焼プロセスには、互いに対照的な二つの主要要件が適用される。一つには、燃焼プロセスは、(燃料を節約するとともに、CO2 の排出を削減するために)可能な最大効率を達成すること、他方には、このプロセスは、汚染物質(例えば、NOX )の排出を最小限にすることが求められている。 Gas turbines operate on the basis of fossil fuel combustion. Today, two key requirements apply to the combustion process of fossil fuels in contrast to each other. For one thing, the combustion process achieves the maximum possible efficiency (to conserve fuel and reduce CO 2 emissions), and on the other hand, the process is able to reduce pollutants (eg, NO x ) Emissions are required to be minimized.

燃焼プロセスの効率を改善するための最も一般的な方法の一つは、燃焼空気を高温に予熱することを利用するものである。このアプローチは、燃焼を比較的高い火炎温度で発生させ、そのうちに、復熱式または再生式の熱交換器を用いて、高温の燃焼排気のエネルギーを燃焼空気に与えるものである。高温に予熱された空気温度の一つの欠点は、火炎が、上昇したピーク温度に曝されて、サーマルNOX の形成過程において、惨憺たる結果をもたらすことである。 One of the most common ways to improve the efficiency of the combustion process is to use preheating the combustion air to a high temperature. This approach generates combustion at a relatively high flame temperature, while using a recuperative or regenerative heat exchanger to provide the combustion air with hot combustion exhaust energy. One drawback of the air temperature preheated to high temperature, flame, is exposed to elevated peak temperatures, in the formation process of the thermal NO X, it is to bring about disastrous results.

燃焼排気の再循環によって、自己発火閾値(self-ignition threshold )を超える温度に保たれた希薄反応混合気を用いた、炭化水素の燃焼に関する研究が行われてきた。この燃焼排気を用いることで、反応混合気を希薄にするとともに、エネルギーを加えて、自己発火させることが可能となる。   Research has been conducted on the combustion of hydrocarbons using lean reaction mixtures maintained at temperatures above the self-ignition threshold by recirculation of the combustion exhaust. By using this combustion exhaust gas, it becomes possible to dilute the reaction mixture and add energy to cause self-ignition.

燃焼排気の再循環は、混合気における希ガスの含有量を増加させる。炭化水素と空気の燃焼に関する可燃限界の初期の研究[ザベタキス氏(Zabetakis )、1965年]は、50%までの再循環率に対して、可燃混合気を得ることができることを示している。実際のシステムに対して信頼できる動作条件を提供することを目的とする最近の研究は、NOX の削減技術として、30%までの再循環率を用いることができることを示している[ウィルクス氏(Wilkes)とガーホールド氏(Gerhold )、1980年]。再循環率Rは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気の流量と新鮮な混合気の流量の比率として定義される。 Recirculation of the combustion exhaust increases the content of noble gases in the mixture. An early study of flammability limits for hydrocarbon and air combustion (Zabetakis, 1965) shows that flammable mixtures can be obtained for recirculation rates up to 50%. Recent studies aimed at providing reliable operating conditions for real systems have shown that recirculation rates of up to 30% can be used as NO x reduction techniques [Wilkes ( Wilkes) and Gerhold, 1980]. The recirculation rate R is defined as the ratio of the flow rate of the recirculated combustion exhaust gas introduced into the combustion chamber and the flow rate of the fresh air-fuel mixture.

Figure 2005516141
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この場合、
IR=燃焼室内で再循環される燃焼排気
ER=燃焼室外で再循環される燃焼排気
F=燃料
X =新鮮な酸化剤(通常、空気)。

最近、ずっと高い燃焼排気再循環率において、火炎を安定化させることができることが分かった。このことにより、不可視、不可聴な火炎を作り出す燃焼モードを生み出すことができる。そのような火炎は、一様な温度と濃度分布、および過熱点が無いことと関連している。
in this case,
G IR = combustion exhaust gas recirculated in the combustion chamber G ER = combustion exhaust gas recirculated outside the combustion chamber F = fuel O x = fresh oxidant (usually air).

Recently, it has been found that flames can be stabilized at much higher flue gas recirculation rates. This can create a combustion mode that produces an invisible and inaudible flame. Such flames are associated with a uniform temperature and concentration distribution and no hot spots.

この明細書の趣旨に関して、「高希薄燃焼(highly diluted combustion )」と称する、この代替の燃焼モードは、反応混合気の非常に高いレベルの希薄化の結果として発生するものである。この高レベルの希薄化は、局在化した温度ピークの形成を防止し、そのため、NOX の発生を減少させる。可燃性の希薄混合気の自己発火を起こす動作構成を実現するためには、自己発火閾値を超える混合気温度を達成する必要がある。そのような条件は、従来の希薄化されていない可視火炎と比較して、初期火炎温度と断熱火炎温度間における非常に低い温度差をもたらす。 For the purposes of this specification, this alternative combustion mode, referred to as “highly diluted combustion”, occurs as a result of a very high level of dilution of the reaction mixture. The dilution of high level, to prevent the formation of temperature peaks localized, therefore, reduce the occurrence of NO X. In order to realize an operation configuration that causes self-ignition of a flammable lean air-fuel mixture, it is necessary to achieve a gas mixture temperature that exceeds the self-ignition threshold. Such conditions result in a very low temperature difference between the initial flame temperature and the adiabatic flame temperature as compared to conventional undiluted visible flames.

Figure 2005516141
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この場合、
ad=断熱火炎温度(K)
in=反応混合気の初期温度(K)
ΔHR =反応熱(kJ/kg)
p =反応混合気の比熱
Fuel=燃焼した燃料のモル分率
R=再循環率
F=燃料の分子比
X =酸化剤の分子比。

上記の二つの式は、Rが増加するにつれて、混合気の断熱火炎温度(Tad)と初期温度(Tin)間の差が減少することを示している。再循環率Rは、燃焼室に投入される、再循環された燃焼排気と新鮮な酸化剤の流れとの間のエネルギー・バランスの結果なので、これは、初期温度(Tin)の値に作用する。しかし、断熱燃焼の標準的な式と関連させて、上記の式を更に変形させることによって示されるとおり、Rの値は、断熱火炎温度(Tad)の値に影響を及ぼさない。
in this case,
T ad = adiabatic flame temperature (K)
T in = initial temperature of reaction mixture (K)
ΔH R = heat of reaction (kJ / kg)
c p = specific heat of reaction mixture Y Fuel = mole fraction of burned fuel R = recirculation rate F = molecular ratio of fuel O x = molecular ratio of oxidant.

The above two equations show that the difference between the adiabatic flame temperature (T ad ) and the initial temperature (T in ) of the mixture decreases as R increases. Since the recirculation rate R is a result of the energy balance between the recirculated combustion exhaust and the fresh oxidant stream entering the combustion chamber, this affects the value of the initial temperature (T in ). To do. However, the value of R does not affect the value of the adiabatic flame temperature (T ad ), as shown by further modification of the above equation in connection with the standard equation for adiabatic combustion.

Figure 2005516141
Figure 2005516141

この場合、   in this case,

Figure 2005516141
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oxi =酸化剤の入口温度
φ=当量比
oxi =酸化剤のモル分率。

これまで、高希薄燃焼を利用するのに、二段階の混合プロセスを得るために、燃料と空気を別々に燃焼室に噴射する方法に頼ってきた。点火可能となる前に、混合気の所望の温度条件を達成するために、新鮮な空気を再循環した燃焼排気と混合し、更に、それを燃料と混合する。特許文献1は、200%より高い燃焼排気再循環率に対してのみ、安定した、高希薄で、汚染の無い火炎が得られることを明らかにしている。更に、実際には、高希薄な燃焼は、製鉄産業で用いられるプロセスや、ガラス製造に関連したプロセスなどの、大気圧で動作する高温プロセスに対してのみ適用されている。
T oxi = oxidant inlet temperature φ = equivalence ratio Y oxi = oxidant mole fraction.

In the past, high lean combustion has been relied upon to inject fuel and air separately into the combustion chamber to obtain a two-stage mixing process. Before it can be ignited, fresh air is mixed with the recirculated combustion exhaust and further mixed with fuel to achieve the desired temperature conditions of the mixture. Patent document 1 reveals that a stable, highly lean and pollution-free flame can be obtained only for combustion exhaust gas recirculation rates higher than 200%. Furthermore, in practice, high lean combustion is only applied to high temperature processes operating at atmospheric pressure, such as processes used in the steel industry and processes related to glass manufacturing.

この当量比のパラメーター(φ)は、しばしば燃焼の標準的な文献で見かけられ、以下のとおり、簡単に定義される。   This equivalence ratio parameter (φ) is often found in the standard literature of combustion and is simply defined as follows:

Figure 2005516141
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この空気と燃料の相対比λは、以下のとおり定義される。   The relative ratio λ of air and fuel is defined as follows.

Figure 2005516141
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この場合、
%fuelと%air は、それぞれ燃料と空気のモル百分率(またはモル分率)であり、以下のとおり導かれる。
in this case,
% Fuel and% air are the mole percentage (or mole fraction) of fuel and air, respectively, and are derived as follows:

Figure 2005516141
Figure 2005516141

そして、この場合、
Air とFFuelは、それぞれ空気と燃料のモル流量である。
And in this case
F Air and F Fuel are the molar flow rates of air and fuel, respectively.

過剰空気量は、e(%)=(λ−1)*100と定義される。

燃焼は、通常反応混合気の理論空燃比(stoichiometry )によって特徴付けられる。
The excess air amount is defined as e (%) = (λ−1) * 100.

Combustion is usually characterized by the stoichiometry of the reaction mixture.


λ<1(φ>1):燃料の濃い混合気−濃い理論空燃比
λ=φ=1:理論空燃比条件
λ>1(φ<1):燃料の希薄な状態−希薄な理論空燃比

ガスタービンは、一般的には、加圧して、720Kに予熱した酸化剤(通常は空気)とともに、約20バールで、約1750Kの火炎温度において、非常に希薄な火炎(λ≧2)で動作している。一般的なシステムは、20ms程度の滞留時間に対して、3msから5ms程度の点火遅延時間を有する。目標排出レベルは、UHCとCOは、10ppmより少なく、NOX は、一桁のppmである(15%のO2 で正規化)。これらの例に挙げた条件は、エンジン全負荷動作モードで動作するガスタービンに関するものであり、上記の制約を考慮する必要がある。

λ <1 (φ> 1): Fuel rich mixture-rich stoichiometric air-fuel ratio λ = φ = 1: Theoretical air-fuel ratio condition λ> 1 (φ <1): Fuel lean state—lean stoichiometric air-fuel ratio

Gas turbines typically operate in a very lean flame (λ ≧ 2) at a flame temperature of about 1750 K at a pressure of about 20 bar with an oxidant (usually air) pressurized and preheated to 720 K. doing. A typical system has an ignition delay time of about 3 ms to 5 ms for a dwell time of about 20 ms. Target emission levels are less than 10 ppm for UHC and CO, and NO x is single digit ppm (normalized with 15% O 2 ). The conditions listed in these examples relate to gas turbines operating in the engine full load mode of operation and the above constraints need to be taken into account.

高希薄燃焼モードは、この希薄化の結果の混合温度が自己発火閾値を超えるように、新鮮な混合気に対して十分な量の燃焼排気を再循環させることによって実現される。   The high lean combustion mode is achieved by recirculating a sufficient amount of combustion exhaust to the fresh mixture so that the resulting mixing temperature exceeds the autoignition threshold.

高希薄燃焼に関する従来の技術(例えば、特許文献1)は、大気圧(すなわち、1バール)で行われる、(例えば、加熱炉内の)高温プロセスに対するものである。この場合、通常燃焼は、1<λ<1.5(特に、λ=1.1、すなわち10%の過剰空気)で行われる。不可視火炎の高希薄燃焼モードを実現するためには、200%より高い再循環率が必要であることが明らかにされている。また、従来の技術は、高希薄燃焼に対する要件として、酸化剤の予熱を挙げている。   Conventional techniques for high lean combustion (e.g., U.S. Pat. No. 6,057,097) are for high temperature processes (e.g., in a furnace) that are performed at atmospheric pressure (i.e., 1 bar). In this case, normal combustion takes place at 1 <λ <1.5 (in particular, λ = 1.1, ie 10% excess air). It has been shown that a recirculation rate higher than 200% is required to achieve a high lean combustion mode of invisible flame. Moreover, the prior art cites oxidant preheating as a requirement for high lean combustion.

ガスタービンにおいて高希薄燃焼モードを実現することにより、断熱温度と初期温度の差(ΔT)を一層低くした形で、火炎温度を所望の動作値に保持することが可能となる。このことは、高温度点を抑制する問題を解決するのに役立つとともに、一様な温度領域を実現することによって、排出レベルと燃焼効率に関する利点をもたらすものである。   By realizing the high lean combustion mode in the gas turbine, it is possible to maintain the flame temperature at a desired operating value while further reducing the difference (ΔT) between the adiabatic temperature and the initial temperature. This helps to solve the problem of suppressing the high temperature point and provides advantages in terms of emission level and combustion efficiency by realizing a uniform temperature range.

ガスタービンにおいて高希薄燃焼を実現するためには、ガスタービンに関連した時間的な特性を考慮する必要がある。反応混合気を希薄化することは、プロセスの反応速度を遅らせる効果を持ち、そのため点火遅延時間と全体の反応時間の両方に影響を与える。
米国特許第5154599号明細書
In order to achieve high lean combustion in a gas turbine, it is necessary to consider temporal characteristics associated with the gas turbine. Diluting the reaction mixture has the effect of slowing the reaction rate of the process and thus affects both the ignition delay time and the overall reaction time.
US Pat. No. 5,154,599

この発明の課題は、関連する動作条件および制約を考慮して、高希薄燃焼技術のガスタービンへの適用について規定することである。   The object of the present invention is to define the application of high lean combustion technology to gas turbines, taking into account the associated operating conditions and constraints.

この発明の第一の特徴にもとづき、高希薄モードで動作するように構成したガスタービンが規定され、このタービンは、酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を実現するように構成した燃焼室と、タービンと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現するするように構成した燃焼排気再循環手段とを有する。   In accordance with a first aspect of the invention, a gas turbine configured to operate in a high lean mode is defined, the turbine receiving a compressor configured to compress an oxidant and the compressed oxidant. A combustion chamber configured to realize a means for discharging the combustion exhaust, a turbine, and the combustion exhaust coming out of the combustion chamber are recirculated, and the combustion exhaust is compressed out of the compressor. And a combustion exhaust gas recirculation means configured to realize a high lean combustion mode at a combustion exhaust gas recirculation rate of 100% to 200%.

このようなガスタービンは、酸化剤を燃焼室に投入する前に、それを更に予熱する必要が無い形で、高希薄燃焼モードで動作するように構成される。これは、酸化剤がコンプレッサーでの圧縮操作により加熱されるためである。このことは、酸化剤を予熱するための分離した手段が、特定の燃焼条件を達成するのに必要な、希薄化された燃焼/酸化剤混合気の自己発火を実現するための要件である、従来の技術における高希薄燃焼の適用とは対照的である。   Such gas turbines are configured to operate in a high lean combustion mode without the need to further preheat the oxidant before it is introduced into the combustion chamber. This is because the oxidizing agent is heated by the compression operation in the compressor. This is a requirement for a separate means for preheating the oxidant to achieve the autoignition of the diluted combustion / oxidant mixture that is necessary to achieve the specific combustion conditions. In contrast to the application of high lean combustion in the prior art.

従来のガスタービンシステムでは、一般的には渦流装置により空気力学的に安定化した、希薄な予混合火炎が用いられる。これに対して、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンは、そのような空気力学的な安定化を必要としない。   Conventional gas turbine systems typically use a lean premixed flame that is aerodynamically stabilized by a vortex flow device. In contrast, the gas turbine according to the first aspect of the present invention does not require such aerodynamic stabilization.

特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現するように構成される。   In a particularly preferred embodiment, the flue gas recirculation means is configured to achieve a flue gas recirculation rate of 100% to 150%.

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成される。別の好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成される。この燃焼排気再循環手段は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させるように構成される。好ましくは、このガスタービンは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するとともに、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給するように構成される。特に好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成される。   In a preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculation means is configured to achieve combustion exhaust gas recirculation within the combustion chamber. In another preferred embodiment, the combustion exhaust gas recirculation means is configured to achieve combustion exhaust gas recirculation outside the combustion chamber. The combustion exhaust gas recirculation means is configured to recirculate the combustion exhaust gas coming out of the turbine. Preferably, the gas turbine is configured to cool the recirculated combustion exhaust coming out of the turbine and to supply the recirculated combustion exhaust coming out of the turbine along with the oxidant to the compressor. In a particularly preferred embodiment, the flue gas recirculation means is configured to combine the means inside and outside the combustion chamber to achieve flue gas recirculation.

好ましい実施形態においては、このガスタービンは、更に、圧縮された酸化剤を、この酸化剤を燃焼室に投入する前に加熱するように構成した酸化剤予熱手段を有する。好ましくは、この酸化剤予熱手段は、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する。特に好ましい実施形態においては、この熱交換器は、復熱装置または再生器で構成される。好ましくは、タービンから出て来る再循環する燃焼排気は、この熱交換器を用いて冷却される。   In a preferred embodiment, the gas turbine further comprises an oxidant preheating means configured to heat the compressed oxidant prior to charging the oxidant into the combustion chamber. Preferably, the oxidant preheating means comprises a heat exchanger configured to utilize the heat of the exhaust coming out of the turbine to heat the compressed oxidant. In a particularly preferred embodiment, the heat exchanger consists of a recuperator or regenerator. Preferably, the recirculated combustion exhaust leaving the turbine is cooled using this heat exchanger.

好ましい実施形態においては、燃焼排気再循環手段は、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと、この再循環する燃焼排気を混合するように構成される。   In a preferred embodiment, the combustion exhaust recirculation means is configured to mix the premixed flow with the recirculated combustion exhaust before the fuel and oxidant premixed flow enters the combustion chamber. The

好ましい実施形態においては、この酸化剤予熱手段は、外部熱源を有する。特に好ましい実施形態においては、この外部熱源は、触媒形予燃焼器で構成される。   In a preferred embodiment, the oxidant preheating means has an external heat source. In a particularly preferred embodiment, this external heat source comprises a catalytic precombustor.

好ましい実施形態においては、酸化剤は、酸素である。   In a preferred embodiment, the oxidant is oxygen.

この発明の第二の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンが規定され、このタービンは、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するために、タービンから出る来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する。   In accordance with the second aspect of the present invention, a flameless steam-injected gas turbine is defined, the turbine for further diluting a gas turbine according to the first aspect of the present invention and an oxidant / fuel mixture. And a steam generator configured to make steam using the energy of the combustion exhaust coming from the turbine and supply the steam to the combustion chamber.

この好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、閉ループシステムとして動作し、更に、この蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する。   In this preferred embodiment, the flameless steam-injected gas turbine operates as a closed loop system and further includes a condenser configured to condense the steam and reinject the generated water into the steam generator. .

好ましい実施形態においては、この無火炎蒸気噴射ガスタービンは、開ループシステムとして動作するとともに、その際蒸気発生器は、継続して水を補給される。   In a preferred embodiment, the flameless steam-injected gas turbine operates as an open loop system, while the steam generator is continuously refilled with water.

好ましい実施形態においては、蒸気発生器によって作られた蒸気の一部は、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される。   In a preferred embodiment, a portion of the steam produced by the steam generator is supplied to the turbine to increase the turbine output power.

この発明の第三の特徴にもとづき、ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、酸化剤を圧縮するコンプレッサーを用いることと、この圧縮された酸化剤を受け入れ、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を用いることと、タービンを用いることと、この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を用いることとを有する。   In accordance with the third aspect of the present invention, a method for operating a gas turbine is defined, the method using a compressor that compresses the oxidant and means for receiving the compressed oxidant and discharging the combustion exhaust. Using a combustion chamber with a gas turbine, using a turbine, and recirculating the combustion exhaust coming out of the combustion chamber to mix the combustion exhaust with the compressed oxidant coming out of the compressor. Using a combustion exhaust gas recirculation means that realizes a high lean combustion mode with a combustion exhaust gas recirculation rate of 100% to 200%.

特に好ましい実施形態においては、この方法は、更に、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。   In a particularly preferred embodiment, the method further comprises using a flue gas recirculation means that achieves a flue gas recirculation rate of 100% to 150%.

好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。別の好ましい実施形態においては、この方法は、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。この方法は、タービンから出て来る燃焼排気を再循環させる燃焼排気再循環手段を用いることを有する。好ましくは、この方法は、更に、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却することを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、更に、燃焼室の内と外での手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。   In a preferred embodiment, the method comprises using a flue gas recirculation means that provides flue gas recirculation within the combustion chamber. In another preferred embodiment, the method comprises using a flue gas recirculation means that provides flue gas recirculation outside the combustion chamber. This method comprises using combustion exhaust recirculation means for recirculating the exhaust exhaust coming from the turbine. Preferably, the method further comprises cooling the recirculated combustion exhaust coming out of the turbine before supplying the recirculated combustion exhaust coming out of the turbine with the oxidant to the compressor. In a particularly advantageous embodiment, the method further comprises using a combustion exhaust recirculation means that combines the means inside and outside the combustion chamber to achieve combustion exhaust recirculation.

好ましい実施形態においては、この方法は、圧縮された酸化剤を燃焼室に投入する前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を用いることを有する。好ましくは、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を用いることと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を用いることとを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、この熱交換器を、復熱装置または再生器の形で実現することを有する。この方法は、タービンから出て来る再循環する燃焼排気を冷却するために、この熱交換器を用いることを有する。   In a preferred embodiment, the method comprises using an oxidant preheating means that heats the oxidant prior to charging the compressed oxidant into the combustion chamber. Preferably, the method uses a heat exchanger that implements the oxidant preheating means and utilizes the heat of the exhaust coming out of the turbine to heat the compressed oxidant. Using a vessel. In a particularly advantageous embodiment, the method comprises realizing the heat exchanger in the form of a recuperator or regenerator. The method includes using this heat exchanger to cool the recirculated combustion exhaust coming out of the turbine.

好ましい実施形態においては、この方法は、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を用いることを有する。   In a preferred embodiment, the method uses a combustion exhaust recirculation means that mixes the recirculated combustion exhaust with the premixed flow of fuel and oxidant before entering the combustion chamber. Have

好ましい実施形態においては、この方法は、この酸化剤予熱手段を実現すために、外部熱源を用いることを有する。特に有利な実施形態においては、この方法は、この外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を用いることを有する。   In a preferred embodiment, the method comprises using an external heat source to achieve this oxidant preheating means. In a particularly advantageous embodiment, the method comprises using a catalytic precombustor to realize this external heat source.

好ましい実施形態においては、この方法は、酸化剤として酸素を用いることを有する。   In a preferred embodiment, the method comprises using oxygen as the oxidant.

この発明の第四の特徴にもとづき、無火炎蒸気噴射ガスタービンを動作させる方法が規定され、この方法は、この発明の第一の特徴にもとづくガスタービンを用いることと、酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化するのに、このタービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを用いて蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を用いることとを有する。   In accordance with the fourth aspect of the present invention, a method for operating a flameless steam-injected gas turbine is defined, the method comprising using a gas turbine according to the first aspect of the present invention and mixing oxidant and fuel. To further dilute the gas, use a steam generator that produces the steam using the energy of the combustion exhaust coming out of the turbine and supplies the steam to the combustion chamber.

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮して、発生した水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を用いることとを有する。   In a preferred embodiment, the method operates the flameless steam-injected gas turbine as a closed loop system and uses a condenser to condense the steam and re-enter the generated water into the steam generator. Have

好ましい実施形態においては、この方法は、この無火炎蒸気噴射ガスタービンを、開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する。   In a preferred embodiment, the method includes operating the flameless steam-injected gas turbine as an open loop system and continuously refilling the steam generator with water.

好ましい実施形態においては、この方法は、タービンの出力パワーを増加させるために、蒸気発生器により作られた蒸気の一部をタービンに供給することを有する。   In a preferred embodiment, the method comprises supplying a portion of the steam produced by the steam generator to the turbine to increase the turbine output power.

ここでは、この発明をより良く理解してもらうために、この発明にもとづくガスタービンの幾つかの実施形態を、図面を参照して記述する。   Here, for better understanding of the present invention, several embodiments of a gas turbine based on the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、コンプレッサー2、燃焼室3およびタービン4を配備した、この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービン1の模式図である。ガスタービンの動作原理とコンプレッサー2、燃焼室3およびタービン4間の動作上の関係は、当業者には非常に良く知られており、ここでは詳細には述べない。この発明は、使用するコンプレッサー2、タービン4または燃焼室3の形式によって制限されない。例えば、燃焼室3は、筒形、環状または環状筒形である。燃焼室3の形式の選択は、空間的な制約、混合能力、排出能力および所望の出力レベルによって決められる。さらに、この発明は、使用する燃料の形式によっても制限されず、ガスタービンに適した燃料であればどれでも、この実施形態およびこの発明の別の実施形態で使用することができる。   FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine 1 according to a first embodiment of the present invention in which a compressor 2, a combustion chamber 3 and a turbine 4 are provided. The principle of operation of the gas turbine and the operational relationship between the compressor 2, the combustion chamber 3 and the turbine 4 are very well known to those skilled in the art and will not be described in detail here. The invention is not limited by the type of compressor 2, turbine 4 or combustion chamber 3 used. For example, the combustion chamber 3 has a cylindrical shape, an annular shape, or an annular cylindrical shape. The choice of the type of combustion chamber 3 is determined by spatial constraints, mixing capacity, discharge capacity and the desired power level. Further, the present invention is not limited by the type of fuel used, and any fuel suitable for a gas turbine can be used in this embodiment and another embodiment of the present invention.

コンプレッサー2は、この実施形態では空気である、酸化剤5を外部環境から吸入して、それを所要の動作圧力にまで圧縮する。これに代わって、その他の酸化剤を用いることが可能であり、その場合には、コンプレッサーには、適当な保管手段から酸化剤のガスが供給される。所要の動作圧力は、20バールであり、酸化剤は、圧縮操作により720Kまで加熱される。しかし、異なるタービン構造またはその他の酸化剤を使用するためには、異なる圧力が必要である。   The compressor 2 draws in the oxidant 5, which in this embodiment is air, from the outside environment and compresses it to the required operating pressure. Alternatively, other oxidants can be used, in which case the compressor is supplied with oxidant gas from a suitable storage means. The required operating pressure is 20 bar and the oxidant is heated to 720K by the compression operation. However, different pressures are required to use different turbine structures or other oxidants.

圧縮された酸化剤6は、コンプレッサー2から出て、この圧縮された酸化剤の一部8は、冷却剤として使用するために、燃焼室3をバイパスして、タービン4の上流に送られる。この圧縮された酸化剤の部分8は、コンプレッサー2から出力される圧縮された酸化剤6の全体の10%から25%である。これに代わって、コンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤6の全部を、燃焼室3に直接送ることができる。全負荷動作においては、圧縮された酸化剤6は、一般的には725Kの温度と20バールの圧力を有する。   The compressed oxidant 6 exits the compressor 2 and a portion 8 of this compressed oxidant is sent upstream of the turbine 4 bypassing the combustion chamber 3 for use as a coolant. This compressed oxidant portion 8 is 10% to 25% of the total compressed oxidant 6 output from the compressor 2. Alternatively, all of the compressed oxidant 6 exiting from the compressor can be sent directly to the combustion chamber 3. In full load operation, the compressed oxidant 6 typically has a temperature of 725 K and a pressure of 20 bar.

次に、冷却剤として使用しない、圧縮された酸化剤の部分7は、燃焼室3に送る前に、再循環する燃焼排気12,13と混合される。燃焼室3では、燃料と圧縮された酸化剤の混合気は、関連の不可視、不可聴火炎を伴って、高希薄モードで燃焼される。燃焼室内の排気は、一般的には1800Kである。NOX レベルは、一般的には5ppm未満であり、COレベルは、10ppm未満である。 The compressed oxidant portion 7 that is not used as a coolant is then mixed with the recirculating combustion exhaust 12, 13 before being sent to the combustion chamber 3. In the combustion chamber 3, the mixture of fuel and compressed oxidant is burned in a highly lean mode with associated invisible and inaudible flames. The exhaust in the combustion chamber is generally 1800K. NO X level, generally less than 5 ppm, CO level is less than 10 ppm.

新鮮な酸化剤7と新鮮な燃料は、酸化剤7、燃料および燃焼排気12,13間で相応の混合が起こるような形で、燃焼室3内に噴射される。この実施形態は、酸化剤7と燃焼排気12,13を、新鮮な燃料と接触させる前に混合する、予混合噴射システムを用いている。これに代わって、新鮮な燃料を、新鮮な酸化剤7と接触させる前に、燃焼排気12,13と混合することができる。しかし、動作システムの特定の構造と要件にもとづき、異なる混合構成を用いることができる。他の実施形態においては、2段階の予混合燃焼器を用いることが可能であり、そこでは、燃焼排気12,13の一部は、新鮮な酸化剤7と予混合され、残りは、新鮮な燃料と予混合されて、出来上がったこれらの二つの混合気の完全な混合は、下流の第二段の混合器で行われる。   Fresh oxidant 7 and fresh fuel are injected into the combustion chamber 3 in such a way that corresponding mixing occurs between the oxidant 7, the fuel and the combustion exhaust 12, 13. This embodiment uses a premixed injection system that mixes the oxidant 7 and the flue gas 12, 13 prior to contact with fresh fuel. Alternatively, fresh fuel can be mixed with the combustion exhaust 12, 13 before being brought into contact with the fresh oxidant 7. However, different mixed configurations can be used based on the specific structure and requirements of the operating system. In other embodiments, a two-stage premix combustor can be used, where a portion of the combustion exhaust 12,13 is premixed with fresh oxidant 7 and the rest is fresh. Thorough mixing of these two mixtures, premixed with fuel, takes place in the downstream second stage mixer.

更に別の実施形態においては、新鮮な酸化剤7と新鮮な燃料を、拡散形噴射システムにより供給することができ、その空気力学は、新鮮な酸化剤7が、燃料と接触する前に、燃焼排気12,13と接触させて、酸化剤7と燃料が最終段で接触する形で、燃焼室3で混合が起こるように構成することができる。これに代わって、燃料が、酸化剤7と接触する前に、先ず燃焼排気12,13と接触するように、拡散形噴射システムを構成することができる。   In yet another embodiment, fresh oxidant 7 and fresh fuel can be supplied by a diffusion injection system, the aerodynamics of which is combusted before the fresh oxidant 7 contacts the fuel. It can be configured such that mixing occurs in the combustion chamber 3 such that the oxidant 7 and the fuel come into contact with the exhaust gas 12 and 13 at the final stage. Alternatively, the diffusion injection system can be configured such that the fuel first contacts the combustion exhaust 12, 13 before contacting the oxidant 7.

最適な混合法は、システムの空間的な制約、許容される圧力の低下および最小限必要な滞留時間によって決まる。   The optimal mixing method depends on the spatial constraints of the system, the allowed pressure drop and the minimum required residence time.

燃料/空気混合気の理論空燃比としては、従来の希薄予混合ガスタービンシステムに必要なほどに極度に希薄でなければならないということではない。当量比(φ)は、自己発火温度を超えた反応混合気を実現するように調整することができ、その燃焼は、低排出を生み出す、所要のタービン入口温度を満たすものである。この点に関して、反応混合気の当量比は、燃焼排気再循環率とともに、そのような要件を満足するように調整される。   The stoichiometric air / fuel ratio of the fuel / air mixture does not have to be extremely lean as required by conventional lean premixed gas turbine systems. The equivalence ratio (φ) can be adjusted to achieve a reaction mixture above the autoignition temperature, the combustion of which meets the required turbine inlet temperature, producing low emissions. In this regard, the equivalence ratio of the reaction mixture, along with the combustion exhaust gas recirculation rate, is adjusted to meet such requirements.

この実施形態においては、燃焼排気の再循環は、燃焼室3の内12と外13における手段を組み合わせることにより行われる。これに代わって、燃焼排気の再循環は、燃焼室3の内または外のどちらかで、その全部を行うことができる。   In this embodiment, the combustion exhaust gas is recirculated by combining means in the combustion chamber 3 at the inside 12 and outside 13. Alternatively, the exhaust gas recirculation can be carried out entirely either inside or outside the combustion chamber 3.

燃焼が一旦起こると、燃焼排気9は、燃焼室3から出て、冷却剤の流れとして用いられる圧縮された酸化剤8の一部と合流する。次に、冷却剤の流れとして用いられる燃焼排気9と酸化剤8の混合気10は、タービン4に流入する。この排気の混合気10は、タービン4を駆動して、その後これらの排気は、排気ガス11として放出される。   Once combustion occurs, the combustion exhaust 9 exits the combustion chamber 3 and merges with a portion of the compressed oxidant 8 that is used as the coolant flow. Next, the mixture 10 of the combustion exhaust 9 and the oxidant 8 used as a coolant flow flows into the turbine 4. This exhaust gas mixture 10 drives the turbine 4, after which these exhaust gases are discharged as exhaust gas 11.

高レベルの燃焼排気再循環が、不可視で、高希薄な火炎を作り出すのに必要である。再循環率は、実施形態に応じて変化させることができるとともに、同じ燃焼システムにおける異なるエンジン負荷の要件に応えるために、動作中に変えることができる。再循環率、およびその燃焼室3の内12と外13における手段間の配分の正確な選定は、システムの混合気自己発火閾値、使用する再循環システム、最小滞留時間、許容される圧力低下、および混合能力などの要因によって決まる。ガスタービンを、再循環率0で動作させる場合、標準の希薄化していない火炎形式の燃焼が行われる。   A high level of flue gas recirculation is necessary to create an invisible, highly lean flame. The recirculation rate can be varied depending on the embodiment and can be varied during operation to meet different engine load requirements in the same combustion system. The exact selection of the recirculation rate and the distribution between the means in the combustion chamber 3 inside and outside 13 is determined by the system's mixture autoignition threshold, the recirculation system used, the minimum residence time, the allowed pressure drop And factors such as mixing capacity. When the gas turbine is operated at a zero recirculation rate, a standard non-diluted flame type combustion is performed.

図10は、再循環率100%での高希薄火炎と、再循環率0での標準の希薄化していない火炎に関する実験結果の比較を示している。この実験は、燃料として天然ガスを用い、入口温度600°Cで行われた。図10は、高希薄火炎によって生じたNOX の量が、基準火炎よりも、火炎温度に対して敏感でないことを示している。1800Kでは、希薄火炎は、基準火炎に比較して、生じるNOX の量が40%低下することを示している。 FIG. 10 shows a comparison of the experimental results for a high lean flame at 100% recirculation rate and a standard undiluted flame at 0 recirculation rate. This experiment was conducted using natural gas as fuel and an inlet temperature of 600 ° C. FIG. 10 shows that the amount of NO x produced by the highly lean flame is less sensitive to the flame temperature than the reference flame. At 1800 K, the lean flame shows a 40% reduction in the amount of NO x produced compared to the reference flame.

図10は、特に、サーマルNOX の発生が温度に強く依存するために、NOX の発生が問題となる高い発火温度において、高レベルの燃焼排気再循環を用いた燃焼が、NOX の発生を低減するのに効果的であることを示している。このことにもとづき、燃焼排気再循環と高希薄燃焼が、ガスタービンで一般的に用いられる希薄火炎における、良く知られたサーマルNOX の発生の問題を緩和することができるものである。実験により、600°Cより高い入口温度を用いることで、高希薄火炎と関連したNOX が、より大きく削減されることが示されている。それは、また高希薄燃焼が、基準火炎より良好なNOX 生成能力を持つ動作温度範囲を拡大する効果を有するものである。 Figure 10 is particularly for the generation of thermal NO X is strongly dependent on the temperature, the higher ignition temperatures occur of the NO X becomes a problem, combustion with flue gas recirculation for a high level of the NO X generation It is effective in reducing the above. Based on this fact, the combustion exhaust gas recirculation and high lean combustion, in which can be alleviated in the general dilute flame used, well-known thermal NO X generation problems in the gas turbine. Experiments have shown that NO x associated with highly lean flames is greatly reduced by using an inlet temperature higher than 600 ° C. It also has the effect of high lean combustion extending the operating temperature range with better NO x production capacity than the reference flame.

一般的なガスタービン条件(例えば、0.6未満の当量比での希薄火炎)で動作する火炎を光学的に観察すると、高希薄燃焼と関連した不可視火炎の始まりに関して、その境界を識別することができる。一般的なガスタービン条件においては、再循環率100%で、不可視モードが達成されることが分かる。そのような再循環率は、従来技術において要件であると表明されていた再循環率300%より、著しく低い。   Optically observing flames operating in common gas turbine conditions (eg, lean flames with an equivalence ratio of less than 0.6) to identify the boundaries with respect to the onset of invisible flames associated with high lean combustion Can do. It can be seen that in general gas turbine conditions, the invisible mode is achieved with a recirculation rate of 100%. Such a recirculation rate is significantly lower than the 300% recirculation rate that was stated to be a requirement in the prior art.

高温においては、大気圧での従来技術の燃焼の利用は、通常1<λ<1.5(より厳密には、λ=1.1、すなわち過剰空気10%)で行われる。ガスタービンシステムでは、動作条件が非常に異なり、λは、一般的には2以上であり、圧力は、一般的には20バールである。そのような条件では、2以上のλに対して、100%より高い燃焼排気再循環率は、高希薄燃焼に関連した不可視火炎を実現するのに十分であることが、実験的に観察されている。   At high temperatures, the use of prior art combustion at atmospheric pressure is usually performed at 1 <λ <1.5 (more precisely, λ = 1.1, ie 10% excess air). In gas turbine systems, the operating conditions are very different, λ is typically greater than 2 and the pressure is typically 20 bar. Under such conditions, it has been experimentally observed that for λ of 2 or more, a flue gas recirculation rate higher than 100% is sufficient to achieve an invisible flame associated with high lean combustion. Yes.

図13は、動作圧力と理論空燃比(λまたはラムダ)に関する、負荷に対する一般的なガスタービンエンジンの動作のグラフを示している。光学的に観察すると、λの値が低くなるに従い、高希薄燃焼モードの始まりを許容するのに必要な燃焼排気再循環率が低くなることを示している。ガスタービンのプロセス温度は、主に反応混合気の理論空燃比によって制御され、希薄な理論空燃比は、低い断熱火炎温度と、そのために低いNOX の排出をもたらすこととなる。 FIG. 13 shows a graph of typical gas turbine engine operation versus load for operating pressure and stoichiometric air / fuel ratio (λ or lambda). Optical observations show that the lower the value of λ, the lower the combustion exhaust gas recirculation rate required to allow the beginning of the high lean combustion mode. The process temperature of the gas turbine is controlled primarily by the stoichiometric air-fuel ratio of the reaction mixture, dilute the stoichiometric air-fuel ratio is lower and adiabatic flame temperature, and thus result in the emission of low NO X for this purpose.

従来技術では、燃焼排気再循環がプロセス温度を制限することが明らかである。高レベルの酸化剤予熱においては、NOX の排出を制限するために、プロセス温度を制御するには、高い燃焼排気再循環が必要である。 In the prior art, it is clear that combustion exhaust gas recirculation limits the process temperature. In the oxidant preheating high level, in order to limit the emission of NO X, in order to control the process temperature requires a higher flue gas recirculation.

従来技術では、燃焼排気が再循環される前に冷却されて、システムが非断熱になるので、燃焼排気再循環が、主にプロセス温度を制御するものである。しかし、ガスタービンの燃焼室3は、高いサイクル効率を生み出すためには、出来るだけ断熱条件に近い条件で動作する必要がある。この結果、再循環前の燃焼排気12,13の冷却が最小限となり、このため燃焼排気12,13が非常に高温で再循環されるので、この発明の実施形態における準断熱燃焼排気再循環となる。また、これらの準断熱条件は、ガスタービンの燃焼室3において、従来技術で必要であると言われている値より低い再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するのに役立つものである。   In the prior art, flue gas recirculation mainly controls the process temperature because the flue gas is cooled before it is recirculated and the system becomes non-adiabatic. However, the combustion chamber 3 of the gas turbine needs to operate under conditions as close as possible to adiabatic conditions in order to produce high cycle efficiency. As a result, the cooling of the combustion exhausts 12 and 13 before recirculation is minimized, so that the combustion exhausts 12 and 13 are recirculated at a very high temperature. Become. These quasi-insulating conditions are useful for realizing a high lean combustion mode in the combustion chamber 3 of the gas turbine with a recirculation rate lower than that which is said to be necessary in the prior art.

最適な再循環率は、個々のガスタービンの構造と個々の動作条件に応じて変化する。化学反応速度的な研究により、高希薄燃焼モードで動作するガスタービンシステムの時間的な特性と排出能力に関する情報を計算することができる。図11は、動作圧力に対する混合気の全焼を実現するのに必要な滞留時間を計算したグラフを示している。図11は、100%から200%までの燃焼排気再循環率では、最小滞留時間と点火遅延において大きな効果があることを示している。しかし、これらの研究は、200%より大きな燃焼排気再循環率が、この点に関して、目に見えるほどの更なる効果をもたらさないことを示している。   The optimum recirculation rate varies depending on the structure of the individual gas turbine and the individual operating conditions. Chemical kinetic studies can calculate information about the temporal characteristics and emission capabilities of gas turbine systems operating in high lean combustion modes. FIG. 11 shows a graph in which the residence time required to achieve the total burn of the air-fuel mixture with respect to the operating pressure is calculated. FIG. 11 shows that combustion exhaust gas recirculation rates from 100% to 200% have a significant effect on minimum residence time and ignition delay. However, these studies show that flue gas recirculation rates greater than 200% do not have a noticeable further effect in this regard.

さらに、大気式のシステムに対して、ガスタービンは、厳しい圧力低下の制約に応えなければならない。ガスタービン燃焼システムと関連した圧力低下が低くなるに従い、サイクル効率が高くなる。   In addition, for atmospheric systems, gas turbines must meet severe pressure drop constraints. As the pressure drop associated with the gas turbine combustion system decreases, the cycle efficiency increases.

図1の実施形態においては、燃焼室3内における燃焼排気再循環12は、高速噴射を用いて実現されている。噴射の速度または運動量が高くなるに従い、再循環する排気の比率が高くなる。しかし、より高速な噴射速度は、より高い圧力低下とも関連している。   In the embodiment of FIG. 1, the combustion exhaust gas recirculation 12 in the combustion chamber 3 is realized using high-speed injection. As the injection speed or momentum increases, the proportion of exhaust gas that is recirculated increases. However, higher injection speeds are also associated with higher pressure drops.

空気力学的な研究では、一般的なガスタービンシステムに対して、圧力低下の制約を考慮しつつ、単純な高速噴射により達成可能な最大再循環率は、100%から200%まで変化することを示している(図12参照)。   Aerodynamic studies have shown that for a typical gas turbine system, the maximum recirculation rate achievable with simple high-speed injection varies from 100% to 200%, taking into account pressure drop constraints. This is shown (see FIG. 12).

図12が示すとおり、再循環率は、渦流部品などの追加機器を用いて向上させることができる。しかし、そのような機器を用いても、従来技術の大気式システムにおける高希薄燃焼の要件であると開示されている、200%を下回る場合には、なお容易に圧力低下の限界に達してしまう。   As FIG. 12 shows, the recirculation rate can be improved using additional equipment such as eddy current components. However, even with such equipment, the pressure drop limit is still easily reached when below 200%, which is disclosed as a requirement for high lean combustion in prior art atmospheric systems. .

一般的なガスタービンシステムにおいて、燃焼器モジュールに許される最大圧力低下は、動作圧力全体の3%である。単一の自由噴射を用いることにより、燃焼器/噴射器モジュールの圧力低下を3%の限界より小さく保持する一方、200%より大きい再循環率を実現することができる。しかし、非常に大きな空気対燃料比(すなわち、非常に希薄な混合気)と厳しい空間的な制約の下で動作するガスタービンは、単一の自由噴射にもとづく燃焼器を使用することができない。高速噴射器の設計は、ガスタービンに関連した固有の空間的な制約と圧力低下の限界によって制限される。各噴射は、隣接する噴射と干渉し合い、各個別の噴射の公称エントラップメント能力が劣化する。   In a typical gas turbine system, the maximum pressure drop allowed for the combustor module is 3% of the total operating pressure. By using a single free injection, it is possible to achieve a recirculation rate greater than 200% while keeping the combustor / injector module pressure drop below the 3% limit. However, gas turbines operating under very large air-to-fuel ratios (ie, very lean mixtures) and severe spatial constraints cannot use a combustor based on a single free injection. High speed injector designs are limited by the inherent spatial constraints and pressure drop limitations associated with gas turbines. Each injection interferes with an adjacent injection, degrading the nominal entrapment capability of each individual injection.

図14は、直径20mmのノズルを18個持つ燃焼器モジュールを有し、P=22バール、Tin=470°C、燃焼器当りの空気=5.5kg/s、燃焼器への燃料=0.17kg/sという条件の下で動作するガスタービンにおける、再循環率に対する圧力低下のグラフである。 FIG. 14 has a combustor module with 18 nozzles with a diameter of 20 mm, P = 22 bar, T in = 470 ° C., air per combustor = 5.5 kg / s, fuel to combustor = 0 FIG. 6 is a graph of pressure drop versus recirculation rate in a gas turbine operating under the condition of .17 kg / s.

図14は、上記の条件の下で動作するシステムにおいては、約150%より大きい再循環率に対して、圧力低下の限界を超えていることを示している。   FIG. 14 shows that in systems operating under the above conditions, the pressure drop limit is exceeded for recirculation rates greater than about 150%.

上述した二つの研究にもとづき、(高圧と非常に希薄な理論空燃比を特徴とする)ガスタービンシステムにおいては、100%より大きな再循環率で高希薄燃焼を行うことが好ましい。これは、付随する過熱点が無く、温度と濃度分布が一様な、高希薄燃焼と関連した不可視火炎を実現するものである。   Based on the above two studies, in gas turbine systems (characterized by high pressure and very lean stoichiometric air-fuel ratio), it is preferable to perform high lean combustion at a recirculation rate greater than 100%. This achieves an invisible flame associated with highly lean combustion that has no associated superheat point and a uniform temperature and concentration distribution.

化学的な研究の結果、100%より大きな再循環率と関連して、プロセス時間に関する大きな利点があることが示されている。同研究は、この有利な効果が200%より大きな再循環率に対しては、大きくは増加しないことを示している。これにもとづき、ガスタービンシステムにおける高希薄燃焼は、100%から200%までの再循環率で行われるのが好ましい。しかし、空気力学的な研究は、高い再循環率は、望ましくない大きな圧力低下と関連していることを示している。そのため、200%より小さい、より好ましくは150%より小さい再循環率による高希薄モードでガスタービンを動作させることが好ましい。   Chemical studies have shown that there are significant advantages in terms of process time associated with recycle rates greater than 100%. The study shows that this beneficial effect does not increase significantly for recirculation rates greater than 200%. Based on this, high lean combustion in the gas turbine system is preferably performed at a recirculation rate of 100% to 200%. However, aerodynamic studies indicate that high recirculation rates are associated with undesirably large pressure drops. Therefore, it is preferable to operate the gas turbine in a high lean mode with a recirculation rate less than 200%, more preferably less than 150%.

この発明の別の実施形態においては、燃焼排気再循環率は、反応燃料/酸化剤混合気の目標とする熱条件を満たすのに十分ではない。例えば、混合気の燃焼室3の温度は、燃料/酸化剤混合気の自己発火閾値より低くなる可能性がある。この状況は、酸化剤1が全負荷動作より低い圧力で圧縮され、そのためコンプレッサー2を出て来る時にはより低い温度となる部分負荷動作に対応する。そのような状況においては、この問題を克服するために、追加の酸化剤予熱手段が用いられる。   In another embodiment of the invention, the combustion exhaust gas recirculation rate is not sufficient to meet the targeted thermal condition of the reactant fuel / oxidant mixture. For example, the temperature of the combustion chamber 3 of the mixture can be lower than the autoignition threshold of the fuel / oxidant mixture. This situation corresponds to a partial load operation in which the oxidant 1 is compressed at a lower pressure than the full load operation, so that when it exits the compressor 2, the temperature is lower. In such situations, additional oxidant preheating means are used to overcome this problem.

図2は、圧縮された酸化剤7を更に加熱するための熱交換器14を用いた、この発明の実施形態にもとづくガスタービンの模式図を示している。ガスタービン4から出て来る排気ガス11の一部は、圧縮された酸化剤7を加熱するために、タービン4から出て来る排気ガス11の余熱を利用する熱交換器14に送られる。この実施形態では、熱交換器14は、復熱装置の形式である。これに代わって、熱交換器14は、再生器の形式にすることもできる。   FIG. 2 shows a schematic diagram of a gas turbine according to an embodiment of the invention using a heat exchanger 14 for further heating the compressed oxidant 7. A part of the exhaust gas 11 coming out of the gas turbine 4 is sent to a heat exchanger 14 that uses the residual heat of the exhaust gas 11 coming out of the turbine 4 to heat the compressed oxidant 7. In this embodiment, the heat exchanger 14 is in the form of a recuperator. Alternatively, the heat exchanger 14 can be in the form of a regenerator.

タービンから出て来る排気ガス11の余熱が、圧縮された酸化剤7を所要の温度に加熱するのに十分でない場合には、外部熱源16が利用される(図3)。   If the residual heat of the exhaust gas 11 emerging from the turbine is not sufficient to heat the compressed oxidant 7 to the required temperature, an external heat source 16 is utilized (FIG. 3).

これに代わって、図4に図示したとおり、触媒形予燃焼器17によって、圧縮された酸化剤7を、燃料/酸化剤混合気の自己発火に必要な所要温度に加熱することができる。部分負荷動作を利用する、この実施形態では、圧縮された酸化剤は、一般的に13バールの圧力と650Kの温度にある。   Alternatively, as illustrated in FIG. 4, the catalytic precombustor 17 can heat the compressed oxidant 7 to the required temperature required for self-ignition of the fuel / oxidant mixture. In this embodiment utilizing partial load operation, the compressed oxidant is typically at a pressure of 13 bar and a temperature of 650K.

燃焼に用いる、圧縮された酸化剤7の一部は、非常に希薄な条件で燃料と混合されて、より高い温度で燃焼室3に投入するために、触媒形予燃焼器17に送られる。排出レベルを最小限にしつつ、触媒表面だけでの表面反応により、流れに対して追加の熱エネルギーを付加することを保証する、非常に希薄な条件において、この触媒形予燃焼器17は動作する。また、触媒形予燃焼器17を非常に希薄な形で動作させることは、触媒に入って来る反応混合気が、触媒を非活性化すること、または過熱させる恐れを確実に回避するのに役立つ。   A portion of the compressed oxidant 7 used for combustion is mixed with fuel under very lean conditions and sent to the catalytic precombustor 17 for introduction into the combustion chamber 3 at higher temperatures. The catalytic pre-combustor 17 operates in very lean conditions that ensure that additional thermal energy is added to the flow by surface reaction at the catalyst surface alone while minimizing emissions levels. . Also, operating the catalytic pre-combustor 17 in a very lean form helps to ensure that the reaction mixture entering the catalyst will not deactivate or overheat the catalyst. .

図4に図示したような実施形態においては、燃焼室3の外で再循環する燃焼排気13は、更に熱エネルギーを付加するとともに、希薄化するために、触媒形予燃焼器17の上流のパス18と下流のパス19を組み合わせて再循環される。これに代わって、燃焼室3の外で再循環する燃焼排気13は、触媒形予燃焼器17の上流18か下流19のどちらかだけに再循環される。燃焼排気は、触媒機能を害する効果を持つ場合がある。そのため、触媒形予燃焼器17に流れる燃焼排気13を、表面反応を制御するとともに、触媒プロセスの温度を制御するために必要な最小限度の量に制限するのが望ましい。   In the embodiment as illustrated in FIG. 4, the combustion exhaust 13 recirculated out of the combustion chamber 3 passes further upstream of the catalytic precombustor 17 in order to add further thermal energy and dilute. 18 and downstream path 19 are combined and recirculated. Instead, the combustion exhaust gas 13 that is recirculated outside the combustion chamber 3 is recirculated only to either the upstream 18 or the downstream 19 of the catalytic precombustor 17. Combustion exhaust may have the effect of harming the catalytic function. Therefore, it is desirable to limit the combustion exhaust 13 flowing to the catalytic precombustor 17 to the minimum amount necessary to control the surface reaction and to control the temperature of the catalytic process.

圧縮された酸化剤7の全部が触媒形予燃焼器17を通過するようにする代わりに、圧縮された酸化剤7の一部が触媒形予燃焼器17を迂回するような形で、実施形態を構成することができる。このことは、触媒形予燃焼器17に関する最適な理論空燃比を保証するために、または加熱や冷却の目的に必要である。同様に、燃料の一部を触媒形予燃焼器17に噴射し、その残りを燃焼室3に直接噴射するのが望ましい。   The embodiment is such that instead of allowing all of the compressed oxidant 7 to pass through the catalytic precombustor 17, a portion of the compressed oxidant 7 bypasses the catalytic precombustor 17. Can be configured. This is necessary to ensure an optimal stoichiometric air / fuel ratio for the catalytic precombustor 17 or for heating and cooling purposes. Similarly, it is desirable to inject a part of the fuel into the catalytic precombustor 17 and the rest directly into the combustion chamber 3.

触媒形予燃焼器17は、触媒の最適な動作モードに依存して、非常に希薄な条件(λ>2.5)または非常に濃い条件(λ<0.5)で動作するように構成することができる。動作モードの選択は、触媒形予燃焼器17に流入または迂回する、燃焼排気13、圧縮された酸化剤7および燃料の各々における個々の比率により決まる。   The catalytic pre-combustor 17 is configured to operate under very lean conditions (λ> 2.5) or very dense conditions (λ <0.5), depending on the optimal operating mode of the catalyst. be able to. The choice of operating mode depends on the individual ratios in each of the combustion exhaust 13, the compressed oxidant 7 and the fuel that enter or bypass the catalytic precombustor 17.

図4に示した実施形態の燃焼室3内における一般的な条件には、1650Kの温度が含まれる。NOX レベルは、一般的には3ppmより小さく、COレベルは、2ppmより小さい。 Typical conditions within the combustion chamber 3 of the embodiment shown in FIG. 4 include a temperature of 1650K. The NO x level is generally less than 3 ppm and the CO level is less than 2 ppm.

別の実施形態においては、触媒形予燃焼器17は、圧縮された酸化剤7に対する予熱操作を一層促進するために、追加の加熱手段と組み合わされる。図5は、圧縮された酸化剤7を更に加熱するために、触媒形予燃焼器17の上流に配置された外部熱源16を利用する、この発明の実施形態を模式的に描いている。   In another embodiment, the catalytic precombustor 17 is combined with additional heating means to further facilitate the preheating operation for the compressed oxidant 7. FIG. 5 schematically depicts an embodiment of the present invention that utilizes an external heat source 16 located upstream of the catalytic precombustor 17 to further heat the compressed oxidant 7.

さらに別の実施形態においては、図6に描かれているとおり、この追加の加熱手段が、復熱装置形式の熱交換器14である。これに代わって、この熱交換器14を再生器の形式にすることができる。どちらの場合においても、熱交換器14は、圧縮された酸化剤が触媒形予燃焼器17に入る前に、それを加熱するために、タービン4から出て来る排気ガスの余熱を利用している。   In yet another embodiment, this additional heating means is a heat exchanger 14 in the form of a recuperator, as depicted in FIG. Alternatively, the heat exchanger 14 can be in the form of a regenerator. In either case, the heat exchanger 14 utilizes the residual heat of the exhaust gas exiting the turbine 4 to heat the compressed oxidant before entering the catalytic precombustor 17. Yes.

このため、これまでに述べたすべての実施形態は、燃焼室3の内で再循環させる燃焼排気12、または燃焼室3を出た直後に再循環させる燃焼排気13による、あるいはこれら二つを組み合わせた、燃焼排気再循環を利用している。代替の実施形態においては、図7に模式的に図示したとおり、タービン4の出口から、燃焼排気15を再循環させることができる。   For this reason, all of the embodiments described thus far are based on the combustion exhaust 12 that is recirculated in the combustion chamber 3, the combustion exhaust 13 that is recirculated immediately after leaving the combustion chamber 3, or a combination of the two. It also uses combustion exhaust gas recirculation. In an alternative embodiment, the combustion exhaust 15 can be recirculated from the outlet of the turbine 4 as schematically illustrated in FIG.

燃焼室3の内では高い燃焼排気再循環を完全には達成できず、燃焼室3の外での燃焼排気再循環が大きすぎる圧力損失を起こす場合に、図7の実施形態を用いることができる。燃焼排気15が、タービン4の出口から送られて、コンプレッサー2の入口に再循環され、そこで新鮮な酸化剤5と混合されている。この形で燃焼排気再循環を利用する実施形態は、燃焼室3の内での燃焼排気再循環12および/または燃焼室3の外での高圧の燃焼排気再循環13と組み合わせて適用することができる。可能なパスにおける比率での再循環の量は、燃焼室3の内での自己発火閾値を超える反応混合気を得るための、圧力低下、および熱的条件と要件などの幾つかの制約に依存する。   The embodiment of FIG. 7 can be used when high combustion exhaust gas recirculation cannot be completely achieved within the combustion chamber 3 and combustion exhaust gas recirculation outside the combustion chamber 3 causes too much pressure loss. . Combustion exhaust 15 is sent from the outlet of the turbine 4 and recycled to the inlet of the compressor 2 where it is mixed with fresh oxidant 5. Embodiments utilizing combustion exhaust gas recirculation in this manner may be applied in combination with combustion exhaust gas recirculation 12 within the combustion chamber 3 and / or high pressure combustion exhaust gas recirculation 13 outside the combustion chamber 3. it can. The amount of recirculation in proportion in the possible paths depends on several constraints such as pressure drop and thermal conditions and requirements to obtain a reaction mixture in the combustion chamber 3 that exceeds the autoignition threshold To do.

タービン4の出口から再循環する燃焼排気15は、エンジン効率の観点から好ましいので、新鮮な酸化剤の流れ5と混合する前に、冷却する必要がある。図7に示した実施形態においては、取り出した熱は、圧縮された酸化剤7が燃焼室3に入る前に、これを熱交換器14によって加熱するために利用される。そして、その燃焼排気は、補助部品20によって、残った熱エネルギーを取り出すことにより、更に冷却される。これに代わって、タービン4の出口から再循環された燃焼排気15の余熱は、異なる目的のために利用、または代替の手段により冷却することができる。   The combustion exhaust 15 recirculated from the outlet of the turbine 4 is preferred from the standpoint of engine efficiency and must be cooled before mixing with the fresh oxidant stream 5. In the embodiment shown in FIG. 7, the extracted heat is utilized to heat the compressed oxidant 7 before it enters the combustion chamber 3 by the heat exchanger 14. The combustion exhaust gas is further cooled by taking out the remaining heat energy by the auxiliary component 20. Alternatively, the residual heat of the combustion exhaust 15 recirculated from the outlet of the turbine 4 can be utilized for different purposes or cooled by alternative means.

この構成は、圧縮された酸化剤の流れ7を予熱するための解決法が異なる、または燃焼排気15の余熱の利用法が異なる、前述したすべての実施形態に適用することができる。   This configuration can be applied to all the previously described embodiments with different solutions for preheating the compressed oxidant stream 7 or different ways of using the residual heat of the combustion exhaust 15.

この発明の別の実施形態においては、高希薄燃焼モードで動作するように構成したガスタービンは、図8に模式的に描かれているとおり、蒸気噴射ガスタービンを構成するための蒸気発生プロセスと組み合わされる。蒸気を噴射することは、高レベルの燃焼排気再循環12,13の結果、既に高希薄された燃焼混合気を更に希薄化することとなる。そのようなシステムは、「無火炎蒸気噴射ガスタービン(Flameless Steam Injected Gas Turbine)」(FSIGT)と呼ぶことができる。   In another embodiment of the present invention, a gas turbine configured to operate in a high lean combustion mode includes a steam generation process for configuring a steam-injected gas turbine, as schematically depicted in FIG. Combined. Injecting the steam further dilutes the already highly diluted combustion mixture as a result of the high level combustion exhaust recirculation 12,13. Such a system can be referred to as a “Flameless Steam Injected Gas Turbine” (FSIGT).

ガスタービン4から出て来る排気ガス11のエネルギーを利用して蒸気を作り出す蒸気発生器21で、蒸気が作り出される。そして、蒸気22は、燃焼混合気を更に希薄化するとともに、N2 Oの反応経路(kinetic pathway )に沿ったNOX の形成を抑制するために、燃焼室3に供給される。 Steam is generated by a steam generator 21 that generates steam by using the energy of the exhaust gas 11 coming out of the gas turbine 4. The steam 22 is supplied to the combustion chamber 3 in order to further dilute the combustion mixture and to suppress the formation of NO x along the N 2 O kinetic pathway.

図8に示すとおり、蒸気23は、タービン4の駆動に資するために、燃焼室3の下流にも噴射される。これは、システムの全体出力を増加する効果がある。これに代わって、蒸気22全部を燃焼室3に噴射させることも可能である。   As shown in FIG. 8, the steam 23 is also injected downstream of the combustion chamber 3 in order to contribute to driving of the turbine 4. This has the effect of increasing the overall output of the system. Instead of this, it is also possible to inject the entire steam 22 into the combustion chamber 3.

図8に図示したシステムは、閉ループで動作し、ガスタービンの下流で排気ガス11とともに排出された蒸気は、凝縮器24で再生される。そして、生じた水25は、蒸気生成プロセスに再投入される。残った燃焼排気26は、凝縮器24を通過した後に排出される。これに代わって、システムは、開放サイクルで動作することができ、水路27を通して、蒸気発生器21に、新鮮できれいな水を継続的に供給することができる。   The system illustrated in FIG. 8 operates in a closed loop, and the steam exhausted with the exhaust gas 11 downstream of the gas turbine is regenerated in the condenser 24. The resulting water 25 is then re-entered into the steam generation process. The remaining combustion exhaust 26 passes through the condenser 24 and is discharged. Alternatively, the system can operate in an open cycle and can continuously supply fresh and clean water to the steam generator 21 through the water channel 27.

FSIGTシステムによって得られる利点は、ガスタービンの効率を増加させることである。蒸気噴射タービンでないガスタービンと比べて、FSIGTのコンプレッサー2を通る所与の酸化剤の流れに関して、エネルギー要件は変わらない。しかし、タービン4を通る質量流量は増大し、FSIGTの出力パワーを増加させる。このことにより、この発明にもとづくFSIGTシステムが、効率を最大化する一方で、極端に低いNOX の要件を満たすことが可能となる。 The advantage gained by the FSIGT system is to increase the efficiency of the gas turbine. Compared to a gas turbine that is not a steam injection turbine, the energy requirements remain the same for a given oxidant flow through the FSIGT compressor 2. However, the mass flow rate through the turbine 4 increases and increases the output power of the FSIGT. This allows the FSIGT system according to the invention to meet extremely low NO x requirements while maximizing efficiency.

別の実施形態においては、酸化剤として、空気というより酸素を利用することができる。これにより、排出ゼロのシステムを動作させることができる。前述した実施形態は、どれも酸化剤として酸素を使用するように構成することができる。   In another embodiment, oxygen rather than air can be utilized as the oxidant. Thereby, the system of zero discharge can be operated. Any of the above-described embodiments can be configured to use oxygen as the oxidant.

そのようなシステムの例が、図9に描かれている。酸素5は、コンプレッサー2で圧縮されて、燃焼室3に供給され、そこで、燃焼室3の内12と外13の手段により、高レベルの燃焼排気再循環が実現されている。燃焼排気再循環は、酸素と燃料の反応混合気の爆発効果を緩和する効果を有する。全プロセスにおいて、窒素がないので、NOX を全く生成することなく、燃焼が起こる。 An example of such a system is depicted in FIG. Oxygen 5 is compressed by the compressor 2 and supplied to the combustion chamber 3, where high-level combustion exhaust gas recirculation is realized by means of the inside 12 and the outside 13 of the combustion chamber 3. Combustion exhaust gas recirculation has the effect of mitigating the explosion effect of the reaction mixture of oxygen and fuel. In the entire process, because there is no nitrogen, without generating NO X at all, combustion occurs.

酸化剤として酸素を使う実施形態においては、燃焼排気の希薄化は、火炎温度を制御する作用を持つ。燃焼室9で生成された排気ガス11は、タービン4を駆動し、そのエネルギーは、更に(蒸気発生器21により)蒸気を生成するために利用される。そして、蒸気の一部22は、プロセス温度を制御するために、燃焼室3に噴射される一方、その他の部分23は、タービン23の出力パワーを向上させるために利用される。   In embodiments that use oxygen as the oxidant, the dilution of the combustion exhaust has the effect of controlling the flame temperature. The exhaust gas 11 generated in the combustion chamber 9 drives the turbine 4 and its energy is further utilized (by the steam generator 21) to generate steam. A part of the steam 22 is injected into the combustion chamber 3 to control the process temperature, while the other part 23 is used to improve the output power of the turbine 23.

蒸気は、燃焼生成物と混合され、その後蒸気発生器の下流において、凝縮器24で再生される。そして、主に二酸化炭素である、残りの燃焼排気25は、冷却手段26によって冷却されて、一部は燃焼プロセスを制御するのに必要な燃焼排気の希薄化に資するために、コンプレッサー2に再循環される。過剰な二酸化炭素27は、除去して、別の用途のために保管することができる。   The steam is mixed with the combustion products and then regenerated in the condenser 24 downstream of the steam generator. The remaining combustion exhaust 25, which is mainly carbon dioxide, is then cooled by the cooling means 26, and partly recycled to the compressor 2 to help dilute the combustion exhaust necessary to control the combustion process. Circulated. Excess carbon dioxide 27 can be removed and stored for another use.

当業者には、前述した例示的な実施形態を引用して、更に多くの変化形態または改良形態が思い浮かぶであろうが、これらの前述した実施形態は、例示するためだけに示したものであり、この発明の範囲を制限することを意図したものではく、この発明の範囲は、付属の請求項によって決まるものである。   Those skilled in the art will recognize many more variations or improvements with reference to the exemplary embodiments described above, which have been presented for illustrative purposes only. And not intended to limit the scope of the invention, which is determined by the appended claims.

この発明の第一の実施形態にもとづくガスタービンの模式図The schematic diagram of the gas turbine based on 1st embodiment of this invention この発明の第二の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the second embodiment of the present invention この発明の第三の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the third embodiment of the present invention この発明の第四の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the fourth embodiment of the present invention この発明の第五の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the fifth embodiment of the present invention この発明の第六の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the sixth embodiment of the present invention この発明の第七の実施形態にもとづくガスタービンの模式図Schematic diagram of a gas turbine based on the seventh embodiment of the present invention この発明の第八の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図Schematic diagram of a steam injection gas turbine based on the eighth embodiment of the present invention この発明の第九の実施形態にもとづく蒸気噴射ガスタービンの模式図Schematic diagram of a steam injection gas turbine based on the ninth embodiment of the present invention 再循環率100%での高希薄火炎と、再循環率0での希薄化していない火炎の両方に関する、温度に対するNOX レベルのグラフGraph of NO x level versus temperature for both a high lean flame at 100% recirculation rate and an undiluted flame at zero recirculation rate 異なる再循環率に関する、動作圧力に対する混合気の最小滞留時間のグラフA graph of the minimum residence time of the mixture versus operating pressure for different recirculation rates 負荷に対する再循環率のグラフGraph of recirculation rate against load 一般的なガスタービンエンジンに関する、負荷に対する動作圧力と理論空燃比(λまたはラムダ)の両方のグラフGraph of both operating pressure versus load and theoretical air / fuel ratio (λ or lambda) for a typical gas turbine engine 再循環率に対する圧力低下のグラフGraph of pressure drop against recirculation rate

符号の説明Explanation of symbols

1 ガスタービン
2 コンプレッサー
3 燃焼室
4 タービン
5 新鮮な酸化剤
6 圧縮された酸化剤
7,8 圧縮された酸化剤の一部
9 燃焼排気
10 酸化剤と燃焼排気の混合気
11 排気ガス
12 燃焼室内で再循環される燃焼排気
13 燃焼室外で再循環される燃焼排気
14 熱交換器
15 タービンの出口から再循環される燃焼排気
16 外部熱源
17 触媒形予燃焼器
18 触媒形予燃焼器の上流のパス
19 触媒形予燃焼器の下流のパス
20 補助部品
21 蒸気発生器
22,23 蒸気
24 凝縮器
25 燃焼排気
26 冷却手段
27 水路、二酸化炭素
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine 2 Compressor 3 Combustion chamber 4 Turbine 5 Fresh oxidizer 6 Compressed oxidizer 7,8 A part of compressed oxidizer 9 Combustion exhaust 10 Mixture of oxidizer and combustion exhaust 11 Exhaust gas 12 Combustion chamber Exhaust gas recirculated 13 Combustion exhaust gas recirculated outside the combustion chamber 14 Heat exchanger 15 Combustion exhaust gas recirculated from the turbine outlet 16 External heat source 17 Catalytic pre-combustor 18 Upstream of the catalytic pre-combustor Path 19 Path downstream of catalytic pre-combustor 20 Auxiliary component 21 Steam generator 22, 23 Steam 24 Condenser 25 Combustion exhaust 26 Cooling means 27 Water channel, carbon dioxide

Claims (42)

高希薄モードで動作するように構成したガスタービンであって、
酸化剤を圧縮するように構成したコンプレッサーと、
この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えるように構成した燃焼室と、
タービンと、
この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現するように構成した燃焼排気再循環手段とを有するガスタービン。
A gas turbine configured to operate in a high lean mode,
A compressor configured to compress the oxidant;
A combustion chamber configured to receive the compressed oxidant and to discharge the combustion exhaust;
A turbine,
Recirculate the flue gas coming out of the combustion chamber and mix the flue gas with the compressed oxidant coming out of the compressor, with a flue gas recirculation rate of 100% to 200%, A gas turbine having combustion exhaust gas recirculation means configured to realize a high lean combustion mode.
当該の燃焼排気再循環手段が、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現するように構成した請求項1に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 1, wherein the combustion exhaust gas recirculation means is configured to realize a combustion exhaust gas recirculation rate of 100% to 150%. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室内で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1または2に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 1 or 2, wherein the combustion exhaust gas recirculation means is configured to realize combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. 当該の燃焼排気再循環手段が、燃焼室外で燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1から3までのいずれか一つに記載のガスタービン。   The gas turbine according to any one of claims 1 to 3, wherein the combustion exhaust gas recirculation means is configured to realize combustion exhaust gas recirculation outside the combustion chamber. 当該の燃焼排気再循環手段が、タービンから出て来る燃焼排気を再循環するように構成した請求項4に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 4, wherein the combustion exhaust gas recirculation means is configured to recirculate the combustion exhaust gas coming out of the turbine. 当該のガスタービンが、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却して、このタービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともに、コンプレッサーに供給するように構成した請求項5に記載のガスタービン。   6. The gas turbine according to claim 5, wherein the combustion exhaust gas that is recirculated from the turbine is cooled, and the recirculated combustion exhaust gas that is recirculated from the turbine is supplied to the compressor together with an oxidant. The gas turbine described. 当該の燃焼排気再循環手段が、当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現するように構成した請求項1から6までのいずれか一つに記載のガスタービン。   The gas turbine according to any one of claims 1 to 6, wherein the combustion exhaust gas recirculation means is configured to realize combustion exhaust gas recirculation by combining means inside and outside the combustion chamber. . 当該の燃焼排気再循環手段が、再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合するように構成した請求項1から7までのいずれか一つに記載のガスタービン。   A combustion exhaust gas recirculation means configured to mix recirculated combustion exhaust gas with the premixed flow of fuel and oxidant before entering the combustion chamber. The gas turbine as described in any one of to. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱するように構成した酸化剤予熱手段を、更に有する請求項1から8までのいずれか一つに記載のガスタービン。   9. The gas turbine according to claim 1, further comprising oxidant preheating means configured to heat the oxidant before the compressed oxidant enters the combustion chamber. 当該の酸化剤予熱手段が、圧縮された酸化剤を加熱するために、タービンから出て来る排気の熱を利用するように構成した熱交換器を有する請求項9に記載のガスタービン。   10. A gas turbine according to claim 9, wherein the oxidant preheating means comprises a heat exchanger configured to utilize the heat of the exhaust coming from the turbine to heat the compressed oxidant. 当該の熱交換器が、復熱装置または再生器として構成された請求項10に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 10, wherein the heat exchanger is configured as a recuperator or a regenerator. 請求項5に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気が、当該の熱交換器を用いて冷却される請求項10または11に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 10 or 11, wherein the combustion exhaust gas recirculated out of the turbine is cooled using the heat exchanger. 当該の酸化剤予熱手段が、外部熱源を有する請求項10から13までのいずれか一つに記載のガスタービン。   The gas turbine according to any one of claims 10 to 13, wherein the oxidant preheating means has an external heat source. 当該の外部熱源が、触媒形予燃焼器で構成された請求項13に記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 13, wherein the external heat source comprises a catalytic precombustor. 当該の酸化剤が、酸素である請求項1から14までのいずれか一つに記載のガスタービン。   The gas turbine according to claim 1, wherein the oxidant is oxygen. 請求項1から15までのいずれか一つに記載のガスタービンと、
酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給するように構成した蒸気発生器とを有する無火炎蒸気噴射ガスタービン。
A gas turbine according to any one of claims 1 to 15,
In order to further dilute the mixture of oxidant and fuel, the steam generator is configured to make steam using the energy of the combustion exhaust coming from the turbine and supply the steam to the combustion chamber. Non-flame steam injection gas turbine.
当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、閉ループシステムとして動作し、更に、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入するように構成した凝縮器を有する請求項16に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。   The non-flame steam-injected gas turbine operates as a closed-loop system and further comprises a condenser configured to condense the steam and re-enter the generated water into the steam generator. Flame steam injection gas turbine. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンが、開ループシステムとして動作し、蒸気発生器に水を継続的に補給する請求項16に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。   The flameless steam-injected gas turbine of claim 16, wherein the flameless steam-injected gas turbine operates as an open loop system and continuously supplies water to the steam generator. 当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部が、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給される請求項16から18までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービン。   19. A flameless steam-injected gas turbine according to any one of claims 16 to 18, wherein a portion of the steam produced by the steam generator is supplied to the turbine in order to increase the output power of the turbine. . 酸化剤を圧縮するコンプレッサーを使用することと、
この圧縮された酸化剤を受け入れて、燃焼排気を排出する手段を備えた燃焼室を使用することと、
タービンを使用することと、
この燃焼室から出て来る燃焼排気を再循環させて、この燃焼排気を、このコンプレッサーから出て来る圧縮された酸化剤と混合して、100%から200%までの燃焼排気再循環率で、高希薄燃焼モードを実現する燃焼排気再循環手段を使用することとを有するガスタービンの動作方法。
Using a compressor to compress the oxidant;
Using a combustion chamber with means for receiving the compressed oxidant and discharging the combustion exhaust;
Using a turbine,
Recirculate the flue gas coming out of the combustion chamber and mix this flue gas with the compressed oxidant coming out of the compressor, with a flue gas recirculation rate of 100% to 200%, Using a combustion exhaust gas recirculation means to achieve a high lean combustion mode.
更に、100%から150%までの燃焼排気再循環率を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20に記載の方法。   21. The method of claim 20, further comprising using a flue gas recirculation means that achieves a flue gas recirculation rate of 100% to 150%. 燃焼室内で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20または21に記載の方法。   The method according to claim 20 or 21, comprising using a combustion exhaust gas recirculation means for realizing combustion exhaust gas recirculation in the combustion chamber. 燃焼室外で燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から22までのいずれか一つに記載の方法。   23. A method according to any one of claims 20 to 22, comprising using a combustion exhaust gas recirculation means for realizing a combustion exhaust gas recirculation outside the combustion chamber. 更に、タービンから出て来る燃焼排気を再循環する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項23に記載の方法。   24. The method of claim 23, further comprising using a combustion exhaust recirculation means for recirculating the combustion exhaust exiting the turbine. 更に、タービンから出て再循環される燃焼排気を、酸化剤とともにコンプレッサーに供給する前に、このタービンから出て来る燃焼排気を冷却することを有する請求項24に記載の方法。   25. The method of claim 24, further comprising cooling the combustion exhaust exiting the turbine prior to supplying the exhaust exhaust recirculated from the turbine to the compressor along with the oxidant. 当該の燃焼室の内と外における手段を組み合わせて、燃焼排気再循環を実現する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から25までのいずれか一つに記載の方法。   26. A method as claimed in any one of claims 20 to 25, comprising using combustion exhaust gas recirculation means for combining the means inside and outside the combustion chamber to achieve combustion exhaust gas recirculation. 再循環する燃焼排気を、燃料と酸化剤の予混合した流れが燃焼室に入る前に、この予混合した流れと混合する燃焼排気再循環手段を使用することを有する請求項20から26までのいずれか一つに記載の方法。   27. Use of a combustion exhaust recirculation means for mixing recirculated combustion exhaust with the premixed flow of fuel and oxidant prior to entering the combustion chamber. The method according to any one of the above. 圧縮された酸化剤が燃焼室に入る前に、この酸化剤を加熱する酸化剤予熱手段を使用することを有する請求項20から27までのいずれか一つに記載の方法。   28. A method as claimed in any one of claims 20 to 27, comprising using oxidant preheating means to heat the oxidant before it enters the combustion chamber. 更に、当該の酸化剤予熱手段を実現する熱交換器を使用することと、タービンから出て来る排気の熱を利用して、圧縮された酸化剤を加熱するために、この熱交換器を使用することとを有する請求項28に記載の方法。   In addition, the heat exchanger is used to realize the oxidant preheating means, and the heat exchanger is used to heat the compressed oxidant using the heat of the exhaust gas coming out of the turbine. 29. The method of claim 28, comprising: 更に、当該の熱交換器を、復熱装置または再生器の形式で実現することを有する請求項29に記載の方法。   30. The method of claim 29, further comprising realizing the heat exchanger in the form of a recuperator or regenerator. 請求項24に記載の場合において、タービンから出て再循環される燃焼排気を冷却する熱交換器を使用することを有する請求項29または30に記載の方法。   31. A method according to claim 29 or 30 comprising using a heat exchanger in the case of claim 24 for cooling the combustion exhaust that is recirculated out of the turbine. 当該の酸化剤予熱手段を実現するために、外部熱源を使用することを有する請求項29から31までのいずれか一つに記載の方法。   32. A method according to any one of claims 29 to 31, comprising using an external heat source to realize said oxidant preheating means. 更に、当該の外部熱源を実現するために、触媒形予燃焼器を使用することを有する請求項32に記載の方法。   33. The method of claim 32, further comprising using a catalytic precombustor to achieve the external heat source. 当該の酸化剤として、酸素を使用することを有する請求項20から33までのいずれか一つに記載の方法。   34. A method according to any one of claims 20 to 33, comprising using oxygen as the oxidant. 請求項1から15までのいずれか一つに記載のガスタービンを使用することと、
酸化剤と燃料の混合気を更に希薄化させるために、タービンから出て来る燃焼排気のエネルギーを利用して蒸気を作り、この蒸気を燃焼室に供給する蒸気発生器を使用することとを有する無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。
Using the gas turbine according to any one of claims 1 to 15;
To further dilute the oxidant and fuel mixture using steam generated from the exhaust gas coming from the turbine and using a steam generator to supply the steam to the combustion chamber A method of operating a flameless steam injection gas turbine.
当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを閉ループシステムとして動作させることと、蒸気を凝縮するとともに、生じた水を蒸気発生器に再投入する凝縮器を使用することとを有する請求項35に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。   36. The method of claim 35, comprising operating the non-flame steam-injected gas turbine as a closed loop system, and using a condenser to condense the steam and re-enter the generated water into the steam generator. A method of operating a flame steam injection gas turbine. 当該の無火炎蒸気噴射ガスタービンを開ループシステムとして動作させることと、蒸気発生器に水を継続的に補給することとを有する請求項36に記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。   37. The method of operating a flameless steam-injected gas turbine according to claim 36, comprising operating the flameless steam-injected gas turbine as an open loop system and continuously replenishing the steam generator with water. 更に、当該の蒸気発生器で生成された蒸気の一部を、タービンの出力パワーを増加させるために、タービンに供給することを有する請求項33から35までのいずれか一つに記載の無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。   36. A flameless flame as claimed in any one of claims 33 to 35, further comprising supplying a portion of the steam generated by the steam generator to the turbine to increase the output power of the turbine. A method of operating a steam-injected gas turbine. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービン。   A gas turbine substantially as described with reference to the drawings in the specification. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービン。   A flameless steam-injected gas turbine substantially as herein described with reference to the drawings. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりのガスタービンの動作方法。   A method of operating a gas turbine substantially as herein described with reference to the drawings. 実質上、明細書に図面を参照して記載されたとおりの無火炎蒸気噴射ガスタービンの動作方法。   A method of operating a flameless steam-injected gas turbine substantially as hereinbefore described with reference to the drawings.
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